Всем привет! Меня зовут Семен Чернин, я ведущий сетевой инженер в «Цифре», конкретно — в ее дивизионе по цифровизации горной промышленности. В этом посте речь пойдет о том, откуда взять энергию для проектов цифровизации рудников, когда нет возможности подключиться к предусмотренным на предприятии источникам питания.

В чем вообще проблема

Цифровизация в любой отрасли промышленности, прежде всего, связана с получением производственной информации и ее анализом. Информация должна поступать оперативно с определенной периодичностью, тогда будет возможно обрабатывать ее в реальном времени (а скорее — в режиме, приближенном к нему) и отслеживать состояние производства. Например, когда речь идет о диспетчеризации и мониторинге горной техники на руднике, нас будут интересовать такие параметры, как географические координаты, уровень топлива, давление в подвеске (по этому параметру определяется вес перевозимого груза) и другие, помогающие отслеживать состояние объекта, выбирать оптимальные режимы работы и вовремя проводить ТО, не дожидаясь поломок и замен дорогостоящих запасных частей. Чтобы все это было возможно, нужно, чтобы техника была постоянно «онлайн», а в зоне покрытия беспроводной сети передачи данных не было «белых пятен». 

Казалось бы, какие могут возникнуть сложности? Ставь базовые станции выбранного стандарта передачи данных в нужном количестве, подключай их к сети, в которой находятся управляющие серверы, и работай. На практике же все, как обычно, оказывается сложнее. 

Скажем, если наша задача — мониторинг и диспетчеризация подвижной техники горнодобывающего предприятия, то зона покрытия сети должна быть везде, где эта техника может ездить. А это территория со сложным и к тому же еще и меняющимся рельефом. Даже если вы изначально идеально расставили вышки с базовыми станциями и связь есть в каждом уголке карьера — счастье ваше временно, потому как карьер углубится, появятся новые выработки и отвалы, из-за взрывных работ что-то придется демонтировать, а перенести будет некуда, так как может быть не подведено электричество в нужную точку, столбы могут быть перенесены, и вообще на этом месте скоро будут новые взрывные работы. Иными словами — вышки связи могут потребоваться в местах, которые нет возможности должным образом технически подготовить.

Варианты решения

Данная проблема не нова и может решаться различными способами. Например, решением до какой-то степени может быть использование спутниковой связи с низкоорбитальной спутниковой группировкой, над чем с разной степенью успеха с конца прошлого века трудятся космические агентства разных стран, включая Россию, и даже любимый всеми новаторами Илон Маск. Однако сложный рельеф и возможность того, что участок работ может вообще располагаться в помещении или под землей, где все рабочие условия еще сложнее, не дает надежды на то, что можно будет обойтись только спутниковой связью и отказаться от наземной инфраструктуры. 

Можно питать вышку связи (или какую-то другую установку, которая вам нужна в самом неподходящем месте) от сменных аккумуляторов. Это вполне рабочий вариант, если установка не рассчитана на продолжительную работу или вы очень любите заряжать и переставлять тяжелые аккумуляторы. Но нужно иметь ввиду, что на горнодобывающем предприятии могут перекрыть дороги к вашей установке. Вопрос с продолжительностью работы мог бы решить радиоизотопный термоэлектрический генератор, какие СССР и США использовали для электропитания морских буев, маяков, метеостанций, раннего поколения спутников и межпланетных станций. Этого источника питания хватит лет на тридцать и более, но вряд ли вы сможете где-то купить такое устройство, даже если вас не смущает работа с радиоактивными материалами. 

Призываем силы природы

В случае, если у вас не нашлось любителей переставлять тяжелые аккумуляторы или иметь дело с радиоактивными материалами, на помощь можно призвать более доступные силы природы — ветер и солнце. Возобновляемые источники энергии сейчас весьма модная тема в промышленности, в частности, в горной отрасли. В этом есть своя ирония. Природа на службе у отрасли, всегда ассоциировавшейся с негативным влиянием на экологию. Особенно эта ирония проявляется, когда речь идет о добыче ископаемых источников топлива, которые ВИЭ намерены заменить. 

Чем ближе к экватору, тем больше солнечного света достигает поверхности Земли и тем эффективнее солнечные батареи. Так, сотовые вышки некоторых африканских операторов связи работают исключительно только от солнца, накапливая избыточную энергию в аккумуляторных сборках, которые питают вышку ночью. Мы этот подход использовали на наших проектах в Марокко. Работает очень хорошо, главное вовремя мыть батареи.

Однако Россия расположена далековато от экватора и у нас не везде можно обойтись только энергией солнца. Солнечные батареи становятся уже вспомогательным источником и работают совместно с ветрогенераторами. Такие установки «Цифра», например, использует для проектов цифровизации в горной отрасли на Сахалине, в Магадане, Якутии и Воркуте. Их вполне достаточно для небольшого узла связи. Если говорить в среднем, то пиковая нагрузка такой установки — до 100 Вт, рабочая — около 30 Вт. Очевидно, что подобные устройства приходится комплектовать и настраивать для работы в определенном месте со своими климатическими особенностями — погода в вышеперечисленных регионах отличается непостоянностью и суровостью. Следует учитывать, сколько неблагоприятных для генерации электроэнергии дней установка должна выдержать и не разрядиться, и «подстраховываться» генераторными батареями, которых должно хватить где-то на неделю полного штиля и отсутствия солнца, пока ничего не заряжается. 

Как устроены ВИЭ-установки

Кратко расскажу об устройстве установки. Энергию генерируют солнечные батареи и ветряк – их нужно подбирать исходя из конкретных климатических условий. Для солнечных панелей можно использовать онлайн-калькуляторы солнечных панелей, которые есть на сайтах специализированных магазинов и производителей панелей. Там же будут рекомендации по углам наклона панелей в зависимости от широты и времени года, графики солнечной активности и прочие интересующие параметры. Далее потребуется контроллер заряда батарей и температурные датчики, если они предусмотрены контроллером. Такая же история с ветрогенератором – сам генератор, контроллер и датчики. Все это подключается к сборке из аккумуляторных батарей, которые, как вы уже догадались, вам придется подобрать исходя из потребления вашей установки и требуемой автономности. Собственно потребление будет складываться из непосредственно полезной нагрузки – в нашем случае телекоммуникационного оборудования – и климатической системы нашего термошкафа с оборудованием для внутренней установки. То есть нужно будет подобрать обогреватели, вентиляторы или еще какие-нибудь более экзотические устройства терморегулирования. Далее все это снабжается телескопическими мачтами. Устанавливаем оборудование на стационарную или мобильную платформу, размещаем на площадке и включаем. Если заработает, то где-то в Швеции по неизвестной причине улыбнется Грета Тунберг.

Большое преимущество автономных вышек связи на ВИЭ — мобильность. Их легко перемещать по карьеру, что снижает затраты на строительство и демонтаж стационарных вышек. 

В нашей практике инцидентов, связанных с использованием ВИЭ-установок, было немного. Случалось, что из-за сильного ветра срывало тормозящий механизм и ветряки слишком сильно раскручивались — из-за высокого напряжения повреждалась электрика. Было дело, когда установку просто сносило оползнем. Но это скорее форс-мажорные обстоятельства. Главная сложность — это пыль, которая в избытке на горных предприятиях. Она скапливается на солнечных батареях, что снижает их выработку.

Спасибо за прочтение. Если у вас есть вопросы по ВИЭ-установкам или еще какие по моей тематике, оставляйте в комментариях. Может, какой-то из них вдохновит на подготовку более подробного поста.